JP2016161400A - ころ姿勢測定装置及びころ姿勢測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 ころ軸受の軌道輪の材質を鋼材のままとして、ころ軸受が回転しているときのころの姿勢を測定する。【解決手段】 ころ２９の軸方向の一端に、軌道輪１１を伝播して第１の超音波を発信する第１発信手段３１，３５と、ころ２９の軸方向の他端に、軌道輪１１を伝播して第２の超音波を発信する第２発信手段３２，３６と、第１の超音波が反射した第１エコーを受信する第１受信手段３３，３７と、前記第２の超音波が反射した第２エコーを受信する第２受信手段３４，３８と、前記第１受信手段で受信した前記第１エコーの信号と、前記第２受信手段で受信した前記第２エコーの信号とに基づいて、前記ころの姿勢を測定する測定手段と、を有する。【選択図】 図３

Description

本発明は、回転中のころ軸受において、ころの姿勢を測定するころ姿勢測定装置及びころ姿勢測定方法に関する。

ころ軸受では、回転中にころがスキューを起こすことによってころと軌道面とが滑り接触をして、軌道面に損傷が生じる場合がある。スキューとは、ころの軸線の方向が、ころの転動する方向と直交する向きに対して傾くことをいう。そこで、ころ軸受の回転中に、スキューなどのころの挙動を測定する試みがされている。特許文献１では、軌道輪をアクリルなどの透明の合成樹脂で製作することによって、回転中のころの動きを直接、高速度カメラで撮影している。こうして、撮影した画像からころの姿勢を測定している。

特開２０１３−１５６２０１号公報

特許文献１の方法では、ころの挙動を測定するために光学的に観察しているので、軌道輪を透明の合成樹脂材料で製作する必要がある。しかし、合成樹脂製の軌道輪は、本来の材質である鋼材で製作された軌道輪に比べて、表面硬さや弾性係数などの物性値が異なる。このため、合成樹脂製の軌道輪を使用した場合には、金属製の軌道輪を使用した場合と比べてころと軌道輪との接触状態が変化するので、ころの姿勢を正確に測定することが困難であった。

本発明の目的は、軌道輪の材質を本来の鋼材のままとして、ころ軸受が回転しているときのころの姿勢を測定することが出来る測定装置及び測定方法を提供することである。

本発明によるころ姿勢測定装置は、相対的に回転する一対の軌道輪の間に複数のころが転動自在に組み込まれた転がり軸受における、前記ころの姿勢を測定するころ姿勢測定装置であって、前記ころの軸方向の一端に前記軌道輪を伝播して第１の超音波を発信する第１発信手段と、前記ころの軸方向の他端に前記軌道輪を伝播して第２の超音波を発信する第２発信手段と、前記第１の超音波が反射した第１エコーを受信する第１受信手段と、前記第２の超音波が反射した第２エコーを受信する第２受信手段と、前記第１受信手段で受信した前記第１エコーの信号に基づいて前記一端の位置を検出する第１検出手段と、前記第２受信手段で受信した前記第２エコーの信号に基づいて前記他端の位置を検出する第２検出手段と、前記第１検出手段で検出した前記一端の位置と、前記第２検出手段で検出した前記他端の位置に基づいて、前記ころの姿勢を測定する測定手段と、を有する。

本発明によるころ姿勢測定方法は、相対的に回転する一対の軌道輪の間に複数のころが転動自在に組み込まれた転がり軸受における、前記ころの姿勢を測定するころ姿勢測定方法であって、前記ころの軸方向の一端に前記軌道輪を伝播して第１の超音波を発信する第１発信ステップと、前記ころの軸方向の他端に前記軌道輪を伝播して第２の超音波を発信する第２発信ステップと、前記第１の超音波が反射した第１エコーを受信する第１受信ステップと、前記第２の超音波が反射した第２エコーを受信する第２受信ステップと、前記第１受信ステップで受信した前記第１エコーの信号に基づいて前記一端の位置を検出する第１検出ステップと、前記第２受信ステップで受信した前記第２エコーの信号に基づいて前記他端の位置を検出する第２検出ステップと、前記第１検出ステップで検出した前記一端の位置と、前記第２検出ステップで検出した前記他端の位置に基づいて、前記ころの姿勢を測定する測定ステップと、を有する。

本発明によると、軌道輪の材質を本来の鋼材のままとして、ころ軸受が回転しているときのころの姿勢を測定することが出来る。

スラストころ軸受の軸方向の断面図である。 図２（ａ）は、スキューが生じたときのころの状態を示す状態図で、図２（ｂ）は、図２（ａ）の破線の円で囲んだころの状態を示す拡大図である。 本実施形態のころ姿勢測定装置を使用して、スラストころ軸受のころの姿勢を測定する方法を示す模式図である。 ころが計測点を通過する瞬間の超音波の伝播状態を示す状態図である。 ころが計測点を通過する前、及び、通過した後における超音波の伝播状態を示す状態図である。 集束径が大きい場合の超音波の伝播状態を示す状態図である。 図７（ａ）は、ころの内周側の端部におけるエコー強度の変化を示すグラフで、図７（ｂ）は、ころの外周側における図７（ａ）と同様のグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態（以下、「本実施形態」という）を説明する。図１は、スラストころ軸受２０の軸方向の断面図である。本実施形態のころ姿勢測定装置１０では、ころ２９の姿勢を測定している。

スラストころ軸受２０は、同軸で相対的に回転する一対の軌道輪である外輪２８及び内輪２３と、内輪２３と外輪２８とで回転軸線ｍの方向に挟まれた空間に配置された複数のころ２９と、これらの複数のころ２９を回転軸線ｍの周りに等しい間隔で保持する保持器２１とで構成されている。

外輪２８及び内輪２３は、それぞれみがき特殊帯鋼などの金属板をプレスで打ち抜いて、薄肉の円板状に成形されていて、表面が焼入れ硬化処理をされている。外輪２８及び内輪２３の互いに向き合う面２６，２７は、ころ２９が転走する軌道面となっている。

ころ２９は、軸受鋼で製作されていて焼入れ硬化処理がされている。外周面２９ａは、円筒形状で研削加工によって仕上げられている。
保持器２１は、ＳＰＣＣ材などの薄肉鋼板をプレス成形することによって製作されていて、薄肉の略円盤状である。保持器２１には、軸方向に貫通するポケット２１ａが、周方向に等しい間隔で設けられている。保持器２１は、内輪２３と外輪２８とで軸方向に挟まれた空間に、内外輪２８と同軸に組み込まれていて、各ポケット２１ａに、ころ２９が一つずつ組み込まれている。ポケット２１ａは軸方向に見た形状が略長方形で、ころ２９との間には径方向及び周方向にすきまが設けられている。

こうして、複数のころ２９が、スラストころ軸受２０の回転軸線ｍの周りに放射状に配置されている。外輪２８と内輪２３とが相対的に回転するときには、各ころ２９は軌道面２６，２７の上を転動し、保持器２１ところ２９が一体となって回転軸線ｍの周りを公転運動する。
ころ２９が公転するときには、通常は、ころ２９の軸線が回転軸線ｍに対して放射方向に向いている。しかし、ころ２９と内外輪２８との接触面は、平面度や潤滑状態等が全周にわたって一様でないため、ころ２９の軸線は必ずしも放射方向に向かず、ころ２９は種々の姿勢を示す。ころ２９が、その軸線が放射方向に対して傾いた状態で転動する現象を「スキュー」という。

図２（ａ）は、ころ２９がスキューを起こしている状態を、固定プレート１１の側から回転軸線ｍの方向に見たときの状態図である。ころ２９の軸線の方向と、回転軸線ｍから放射方向に延びる線とのなす角度θをスキュー角という。
図２（ａ）に、ころ２９と外輪２８とが接触する領域（以下、「接触領域Ｇ」という）に斜線を付して示した。ころ２９と外輪２８とは互いに弾性接触をしているので、この接触領域Ｇは、ころ２９の外周面の周方向にわずかに広がっている。図２（ａ）から理解できるように、ころ２９を回転軸線ｍの方向から見たときには、接触領域Ｇの向きは、ころ２９のスキューしている向きと同一である。したがって、接触領域Ｇの向きを検出することによって、ころ２９のスキュー角を測定することが出来る。

図３は、本実施形態のころ姿勢測定装置１０を使用して、ころ２９のスキュー角を測定する方法を説明するための模式図である。
ころ姿勢測定装置１０では、測定対象のスラストころ軸受２０を組み込んだ後、転動中のころ２９に向けて超音波を発信し、ころ２９が転動する軌道面２５で反射したエコーを超音波受信装置で受信している。このエコー信号に基づいてスキュー角θを演算している。なお、ころ姿勢測定装置１０では、回転軸線ｍの方向に、ころ２９を固定プレート１１と回転プレート１２とで直接挟持しており、固定プレート１１の下面２５と回転プレート１２の上面２４が、それぞれころ２９が転動する軌道面として機能している。

図２と図３を参照しつつ、ころ姿勢測定装置１０によるスキュー角の測定方法を詳細に説明する。図３のころ姿勢測定装置１０は、ころ２９を公転運動させる回転部１５と、ころ２９に向けて超音波を発信するとともにそのエコーを受信する超音波探査部１６と、超音波探査部１６で受信したエコーの強度をもとにして、ころ２９の姿勢を演算するころ姿勢演算部１７とで構成されている。

回転部１５は、固定プレート１１と、回転プレート１２と、回転角検出装置１３とで構成されている。

固定プレート１１と回転プレート１２は、それぞれ鋼製で、厚さが均一な円盤形状である。固定プレート１１と回転プレート１２は、それぞれ回転軸線ｍと同軸に配置されていて、回転プレート１２は、回転軸線ｍの周りで回転することが出来る。回転プレート１２は、図示しないモータによって、一定の回転速度で回転することが出来る。ころ２９は、固定プレート１１と回転プレート１２とで回転軸線ｍの方向に挟まれて、回転軸線ｍと同軸の周上に配置されている。各プレートは、ころ２９と接触する面２４，２５がそれぞれ研磨加工されて平滑に仕上げられている。
固定プレート１１の、ころ２９と反対側の面は、ウェッジ３０を載置する面であって研磨加工されて平滑に仕上げられている。

回転角検出装置１３は、例えばロータリーエンコーダである。回転角検出装置１３は、回転プレート１２に取り付けられていて、回転プレート１２の回転角に応じた回転角信号を出力している。回転角信号はころ姿勢演算部１７に送信されている。

超音波探査部１６は、超音波伝達媒体であるウェッジ３０と、超音波を発信する二組の超音波発信部（超音波発信手段）と、二組の超音波受信部（超音波受信手段）とで構成されている。各超音波発信部は、超音波を発信する発信端子３１，３２と、超音波を発信するタイミングを制御する超音波発信装置３５，３６を備えている。各超音波受信部は、エコーを受信する受信端子３３，３４と、受信したエコー強度に応じた電気信号を出力する超音波受信装置３７，３８を備えている。

ウェッジ３０は、断面が五角形の柱状で、固定プレート１１に載置されている。その材質は、ポリスチレンなどの超音波伝達物質で形成されており、超音波が内部を伝播するときの減衰を抑制することが出来る。ウェッジ３０には、固定プレート１１と軸線方向に対向する側に、外側傾斜面３９と内側傾斜面４０とが形成されている。外側傾斜面３９は、径方向外方に向かうに従って固定プレート１１に近づく向きに傾斜している。内側傾斜面４０は、外側傾斜面３９より内周側に形成されていて、径方向内方に向かうに従って固定プレート１１に近づく向きに傾斜している。こうして、外側傾斜面３９と内側傾斜面４０は、それぞれの垂線の方向がころ２９に向かう向きに形成されている。

外側傾斜面３９と内側傾斜面４０には、それぞれ超音波の発信端子と受信端子が一つずつ埋め込まれている。第１発信端子３１は、内側傾斜面４０の内周側に埋め込まれていて、第２発信端子３２は、外側傾斜面３９の外周側に埋め込まれている。第１受信端子３３は、外側傾斜面３９の内周側に埋め込まれていて、第１発信端子３１から発信された超音波のエコーを受信しており、第２受信端子３２は、内側傾斜面４０の外周側に埋め込まれていて、第２発信端子３２から発信された超音波のエコーを受信している。

第１及び第２発信端子３１，３２には、フェイズドアレイプローブが使用されている。フェイズドアレイプローブには、超音波を発信する面に複数の振動子が平面上に配置されている。各振動子が超音波を発信するタイミングを制御することによって、各超音波が相互に干渉し、所定の距離だけ離れた点で集束して細いビームを形成することが出来る。
第１及び第２発信端子３１，３２では、超音波を発信する面に配置された各振動子の超音波を発信するタイミングは、超音波発信装置３５，３６で制御されている。発信端子が超音波を発信する面から集束する点までの距離を、その発信端子の焦点距離という。

本実施形態では、集束径が１ｍｍ以下となるように制御されている。以下に説明するように、集束したビームの直径を大きくし過ぎると、ころ２９の位置を検出する精度が低下するからである。

発信端子３１，３２から発信した超音波は、ウェッジ３０、及び、固定プレート１１を順に伝播して、軌道面２５の位置で集束している。発信端子３１から発信された第１の超音波（以下「超音波Ｗ１」という）について伝播状態を説明する。

超音波Ｗ１は、ウェッジ３０を伝播し、固定プレート１１との接触面３０ａに到達する。接触面３０ａにおいて、超音波Ｗ１が到達した点をＰ１とする。Ｐ１では、超音波Ｗ１の伝播する方向が屈折している。これは、ウェッジ３０を伝播するときの伝播速度が、固定プレート１１を伝播するときに比べて遅いので、入射角φ_０より屈折角φ_１の方が大きくなるからである。
ウェッジ３０の固定プレート１１と接触する底面３０ａは、精密切削などによって平滑に仕上げられており、表面にグリセリンが塗布されて固定プレート１１の上に載置されている。こうすることによって、粗さや形状精度の誤差による接触面間のすきまをグリセリンで埋めることが出来るので、ウェッジ３０と固定プレート１１との接触面における超音波Ｗ１の反射を抑制することが出来る。また、グリセリンとウェッジ３０の材質であるポリスチレンとは、互いに音響インピーダンスが等しいので、ウェッジ３０とグリセリンとの間での超音波の反射を低減できる。
こうして、ウェッジ３０を伝播した超音波Ｗ１は、強度が低下するのを抑制しつつ点Ｐ１を通過し、固定プレート１１に伝播する。

固定プレート１１に伝播した超音波Ｗ１は、固定プレート１１の内部を伝播して軌道面２５に到達する。軌道面２５において、超音波Ｗ１が到達した点をＲ１とする。以下に説明するように、点Ｒ１は、ころ２９の軸方向の内周側端部の動きを計測する点であるので、以下、「内計測点」という。

このとき、超音波Ｗ１が軌道面２５の位置で集束するように、第１発信端子の焦点距離が制御されている。超音波Ｗ１は、点Ｐ１で屈折して伝播しているので、超音波Ｗ１の進んだ距離と焦点距離とを一致させるために、第１発信端子３１の焦点距離が、第１発信端子３１の振動子発信面からＰ１までの距離Ｌ１とＰ１からＲ１までの距離Ｌ２の和（Ｌ１＋Ｌ２）と等しくなるように設定している。

軌道面２５で超音波Ｗ１が反射することによって生じた第１エコー（以下「エコーＥ１」という）は、第１受信端子３３で検出され、その検出信号は第１受信装置３７に送信される。

第２発信端子３２から発信された第２の超音波（以下「超音波Ｗ２」という）の伝播状態は、超音波Ｗ１と同様である。
簡単に説明すると、超音波Ｗ２は、ウェッジ３０を伝播した後、固定プレート１１との接触面で屈折し（接触面における到達点をＰ２とする）、その後、固定プレート１１を伝播して、軌道面２５の位置で集束している。軌道面２５において、超音波Ｗ２が到達した点Ｒ２を、以下、「外計測点」という。
超音波Ｗ２が軌道面２５で反射することによって生じた第２エコー（以下「エコーＥ２」という）は、第２受信端子３４で検出され、その検出信号は第２受信装置３８に送信される。

内計測点Ｒ１と外計測点Ｒ２の位置を、図２（ｂ）に示している。図２（ｂ）では、スラストころ軸受２０の回転軸線ｍの方向から見たときの、内計測点Ｒ１と外計測点Ｒ２の位置を示している。内計測点Ｒ１と外計測点Ｒ２は、径方向の同一線上に配置されている。ころ２９が公転運動するときには、ころ２９が、内計測点Ｒ１及び外計測点Ｒ２の位置を順次通過する。内計測点Ｒ１の径方向の位置は、ころ２９の軸方向の内周側の端部が通過する位置に設定されていて、外計測点Ｒ２は、ころ２９の外周側の端部が通過する位置に設定されている。

内計測点Ｒ１及び外計測点Ｒ２をころ２９が通過する瞬間であって内計測点Ｒ１及び外計測点Ｒ２の位置にころ２９が存在するとき（以下「パターンＡ」とする）と、通過する前あるいは後であって内計測点Ｒ１及び外計測点Ｒ２の位置にころ２９が存在しないとき（以下「パターンＢ」とする）とで、超音波の伝播状態が異なる。ただし、超音波Ｗ１と超音波Ｗ２の伝播状態は互いに同等であるので、以下超音波Ｗ１の伝播状態について説明し、超音波Ｗ２の伝播状態についての説明を省略する。

図４は、スラストころ軸受２０を径方向外方から見た図であって、パターンＡにおける超音波Ｗ１の伝播状態を説明する状態図である。
図５は、図４と同様に、スラストころ軸受２０を径方向外方から見た図であって、パターンＢにおいて、軌道面２７を超音波Ｗ１が伝播する状態を説明する状態図である。

パターンＡでは、内計測点Ｒ１の位置で、ころ２９と固定プレート１１とが接触している。固定プレート１１の材質ところ２９の材質はいずれも鉄鋼であって、音響インピーダンスが同等であるので、内計測点Ｒ１に集束した超音波Ｗ１は、その大部分が接触領域Ｇを通過して、ころ２９に向けて伝播する。ころ２９に向けて伝播する超音波を超音波Ｗ１ａとする。この結果、内計測点Ｒ１では、エコーＥ１は小さくなるので、第１受信端子３３で検出されるエコー強度は小さくなる。

パターンＢでは、内計測点Ｒ１の位置にはころ２９が存在しない。このため、軌道面２５を境にして超音波を伝播する媒体が、鉄鋼と大気とで異なっている。このため、内計測点Ｒ１に集束した超音波Ｗ１は、その大部分が軌道面２５で反射するので、第１受信端子３３で検出されるエコーＥ１の強度が大きくなる。

本実施形態では、軌道面２５の位置で超音波を集束させることによって、ころ２９が計測点の直下に存在するかどうかを検出する精度を高くしている。
図６は、軌道面２５における超音波Ｗ１の伝播状態を示す状態図であって、本実施形態の効果を説明するために、超音波Ｗ１の集束径Ｃを極端に大きくした場合を仮定して、パターンＡにおける伝播状態を示している。図６に示すように、集束径Ｃが大きい場合には、超音波Ｗ１は接触領域Ｇに到達するだけでなく、接触領域Ｇの外側にも到達する。接触領域Ｇに到達した超音波Ｗ１は、そのままころ２９に向けて伝播するが、接触領域Ｇより外側に到達した超音波Ｗ１は、軌道面２５で反射してしまう。集束径が大きくなるほど、軌道面２５に入射した超音波Ｗ１に対して、軌道面２５で反射するエコーＥ１の比率が高くなる。この結果、集束径が大きいときには、ころ２９が計測点の直下に存在しているときと存在していないときのいずれにおいてもエコー強度が高くなるので、ころ２９が存在しているかどうかの識別が困難になってしまう。
このため、超音波の集束径Ｃを、好ましくはころ２９の直径の３０％以下、さらに好ましくは１０％以下にするのが適当である。

以上説明したように、第１受信端子３３では、ころ２９の移動に伴って変化するエコーＥ１を連続して検出しており、その信号が第１受信装置３７に送信されている。第１受信装置３７では、逐次エコー強度の変化を電気信号に変換して、ころ姿勢演算部１７に送信している。
図７（ａ）は、ころ２９の内周側の端部が、内計測点Ｒ１を通過するときの、第１受信装置３７から出力される電気信号の変化する状態を示すグラフであって、時間と、エコー強度の関係を示している。
図７（ａ）に示したように、エコーＥ１の強度は、ころ２９が内計測点を通過する前においては強く（図５参照）、内計測点Ｒ１に近づくにしたがって小さくなる（図４参照）。そして、ころ２９が内計測点Ｒ１の直下に来た時、すなわち接触領域Ｇが内計測点Ｒ１の位置に来た時（このときの時刻をＴ１とする）に、エコー強度は最小になる。ころ２９が内計測点Ｒ１を通過した後、内計測点から離れるに従ってエコー強度は再び強くなっている（図５参照）。

以上、内計測点Ｒ１をころ２９が通過するときの、内計測点Ｒ１に集束した超音波Ｗ１の伝播状態を説明したが、外計測点Ｒ２をころ２９が通過するときの超音波Ｗ２の伝播状態についても、同様に説明することが出来る。

図７（ｂ）は、ころ２９の外周側の端部が、外計測点Ｒ２を通過するときの、時間と、エコー強度の関係を示すグラフである。詳細な説明を省略するが、超音波Ｗ２のエコー強度は、ころ２９が外計測点Ｒ２を通過する前後においては強く、ころ２９が外計測点の直下に来た時（このときの時刻をＴ２とする）に最小になる。なお、ころ２９がスキューしているので、ころ２９の外周側の端部は、内周側の端部より遅れて外計測点Ｒ２を通過する。

なお、超音波Ｗ１及び超音波Ｗ２が軌道面２５で反射するときには、図６に示したように、接触領域Ｇの外側でエコーが発信されるので、超音波Ｗ１のエコーが第２受信端子３２に到達したり、超音波Ｗ２のエコーが第１受信端子３３に到達したりする場合がある。このため、いずれの発信端子から発信された超音波のエコーであるかを識別するために、第１発信端子３１と第２発信端子３２とでは異なるタイミングで超音波を発信している。これにより、超音波受信装置３７，３８では、エコーを受信したタイミングを、超音波発信装置３５，３６が超音波を発信したタイミングと比較することによって、いずれの発信端子から発信された超音波のエコーであるかを識別している。

また、本実施形態では、図３に示したように、ウェッジ３０に外側傾斜面３９と内側傾斜面４０を形成し、ここに発信端子と受信端子をそれぞれ径方向に向き合うように配置しているので、発信端子や受信端子の組付けが容易である。
仮に、発信端子を軸線と平行な向きに並べて設置した場合を仮定すると、発信端子と受信端子を極めて接近して配置せざるを得ない。発信端子や受信端子はある程度の大きさを持っていることを勘案すると、互いに近接させて組み付けるのは非常に困難である。
本実施形態では、発信端子３１，３２から発信された超音波Ｗ１，Ｗ２は、軌道面２７に一定の入射角度を持って斜めに入射しているので、軌道面２７では入射した方向と逆の方向に反射している。このため、発信端子３１，３２と受信端子３３，３４を互いに離れて組み込むことが出来る。こうして、本実施形態では発信端子３１，３２や受信端子３３，３４の組付けが極めて容易になって、組付ける時の位置の精度が向上するので、ころ２９の姿勢を測定する精度を向上させることが出来る。

さらに、本実施形態では、第１発信端子３１と第２発信端子３２、及び第１受信端子３３と第２受信端子３２をそれぞれ互いに径方向に略対称な位置に配置したので、超音波Ｗ１が第１発信端子３１から軌道面２５まで進む距離（図３におけるＬ１＋Ｌ２である）と、超音波Ｗ２が第２発信端子３２から軌道面２５まで進む距離とがほぼ等しくなる。また、エコーＥ１が軌道面２５から第１受信端子３３に進む距離と、エコーＥ２が軌道面２５から第１受信端子３３に進む距離とがほぼ等しくなる。このため、超音波Ｗ１と超音波Ｗ２が各発信端子３１，３２から各受信端子３３，３４まで媒体中を伝播するのに要する時間は、互いにほぼ同等である。
このため、超音波Ｗ１と超音波Ｗ２が媒質中を伝播するときに要する時間の差を考慮しなくても良いので、検出されたエコーがいずれの発信端子から発信された超音波のエコーであるかの識別が容易になる。この結果、ころ２９の内周側端部と外周側端部が計測点を通過する時間差を確実に測定できるので、スキュー角の測定精度を向上させることが出来る。

こうして、ころ２９が内計測点Ｒ１及び外計測点Ｒ２を通過するときのエコー強度の変化は、測定時刻のデータとともに、第１受信装置３７及び第２受信装置３８からころ姿勢演算部１７に送信されている。

次に、ころ姿勢演算部１７においてスキュー角を演算する方法を図２と図７を用いて説明する。
図２に示したように、ころ２９が時計回りの向きに公転しているときに、ころの進行方向に対して反時計回りの方向にスキューしている場合について説明する。このとき、ころ２９の内周側の端部が、外周側の端部より先に内計測点Ｒ１を通過する。通過する時刻はＴ１である。このため、外周側の端部が外計測点Ｒ２を通過する時刻Ｔ２は、時刻Ｔ１より遅れる（図７参照）。なお、図２では、時刻Ｔ１におけるころ２９の位置を実線で示していて、時刻Ｔ２における位置を破線で示している。

ころ姿勢演算部１７では、接触領域Ｇが内計測点Ｒ１を通過する時刻Ｔ１を、エコー強度が最小になる時刻を検出することによって特定している。同様に、外計測点Ｒ２におけるエコー強度が最小になる時刻Ｔ２を特定し、時刻Ｔ２が時刻Ｔ１より遅れる時間（遅延時間）Δｔを、Ｔ１−Ｔ２によって演算している。
ころ２９の公転速度Ｎ_１は、回転プレート１２の回転速度Ｎ_０の１／２である（Ｎ_１＝Ｎ_ｏ／２）。したがって、ころ２９が公転するときにころ２９の軸方向の中心点Ａが描く円の直径寸法（以下、ピッチ円直径という）をＤｐとすると、ころ２９の内周側の端部に対する外周側の端部の遅れ距離Δｓは、式１によって計算することができる。
Δｓ＝Ｄｐ×π×Ｎ_ｏ／２×Δｔ ・・・式１
内計測点Ｒ１と外計測点Ｒ２の径方向の距離Ｌと遅れ距離Δｓを用いて、式２によってころ２９と固定プレート１１との接触領域Ｇの向き（θ１）を演算することが出来る。ここで、θ１は、回転軸線ｍから放射方向に延びる直線と接触領域Ｇの長手方向に延びる中心線とのなす角度である。
θ１＝ｔａｎ^−１（Δｓ／Ｌ） ・・・式２

本実施形態では、円筒形状のころ２９と、回転軸線ｍに直交する軌道面２５とが接触している。したがって、接触領域Ｇは、ころ２９の軸線と平行であり、回転軸線ｍの方向に形成されるので、回転軸線ｍの方向から見たときには、接触領域Ｇの向きθ１は、ころ２９の軸線の向き（すなわち、スキュー角θである）と同一である。
こうして、接触領域Ｇが回転軸線ｍから放射方向に延びる直線とのなす角度を測定することによって、ころ２９のスキュー角θを測定することが出来る。

こうして、本実施形態では、固定プレート１１を伝播する超音波を接触領域Ｇに向けて発信し、そのエコーを検出することによって、接触領域Ｇの向きを測定することが出来る。回転軸線ｍの方向から見たときには、接触領域Ｇの方向ところ２９のスキューの方向とが同一であるので、接触領域Ｇの測定結果よりころのスキュー角を測定することが出来る。こうして、軌道輪の材質を変更することなく、本来の鋼材のままで、ころ２９のスキュー角を測定することが出来る。

さらに、本実施形態では、軌道面２５の位置で超音波を集束させているので、ころが計測点の位置に存在するときには、超音波の大部分が接触領域Ｇを通過して、接触領域Ｇの外側からの反射を低減することができる。この結果、接触領域Ｇを検出する精度が高くなるので、スキュー角の測定精度を向上させることが出来る。

本実施形態では、ケージアンドローラタイプのスラストころ軸受を例にして、ころ２９の姿勢を測定する方法を説明したが、測定対象はこれに限定されない。たとえば、内輪及び外輪を備えたシェル一体型のスラストころ軸受を固定プレート１１と回転プレート１２で軸方向に挟んだ場合におけるころの姿勢測定にも適用できる。
また、ラジアルころ軸受や円すいころ軸受においても、円筒ころや円すいころなどの転動体と軌道輪との接触部で集束するように超音波を発信することによって、本実施形態と同様にして転動体の姿勢を測定することが出来る。

また、本実施形態では、炭素鋼製の固定プレート１１の上に樹脂製のウェッジ３０を載置した構成としたが、固定プレート１１とウェッジ３０を一体物として炭素鋼で構成してもよい。この一体物の構成では、固定プレート１１とウェッジ３０が同一の材質で連続しているので、境界面におけるエコーの発生がない。この結果、固定プレート１１ところ２９の接触面に、超音波を高い密度で集束させることが出来る。また、固定プレートとウェッジとの境界面がないので、当該境界面における超音波の屈折を考慮する必要がないので、ころ２９に向けてより正確に超音波を集束させることが出来る。この結果、ころ２９の位置をさらに高い精度で検出することが出来る。

また、本実施形態では、ころ２９と固定プレート１１との接触部で超音波を集束するために、発信端子にフェイズドアレイプローブを使用したが、超音波発信部を単一の振動子で形成した発信端子の前面に光学顕微鏡のレンズと同様のレンズ（音響レンズ）を設置して、超音波を集束させてもよい。また、超音波を発信する素子を球面上に配置して集束させることもできる。

１０：ころ挙動測定装置、１１：固定プレート、１２：回転プレート、１３：回転角検出装置、１５：回転部、１６：超音波探査部、１７：ころ挙動演算部、２０：スラストころ軸受、２１：保持器、２１ａ：ポケット、２３：内輪、２４：軌道面（回転側）、２５：軌道面（固定側）、２８：外輪、２９：ころ、３０：ウェッジ、３１：第１発信端子、３２：第２発信端子、３３：第１受信端子、３４：第２受信端子、３５：第１発信装置、３６：第２発信装置、３７：第１受信装置、３８：第２受信装置、３９：外側傾斜面、４０：内側傾斜面

Claims (4)

1. 相対的に回転する一対の軌道輪の間に複数のころが転動自在に組み込まれた転がり軸受における、前記ころの姿勢を測定するころ姿勢測定装置であって、
   前記ころの軸方向の一端に前記軌道輪を伝播して第１の超音波を発信する第１発信手段と、
   前記ころの軸方向の他端に前記軌道輪を伝播して第２の超音波を発信する第２発信手段と、
   前記第１の超音波が反射した第１エコーを受信する第１受信手段と、
   前記第２の超音波が反射した第２エコーを受信する第２受信手段と、
   前記第１受信手段で受信した前記第１エコーの信号に基づいて前記一端の位置を検出する第１検出手段と、
   前記第２受信手段で受信した前記第２エコーの信号に基づいて前記他端の位置を検出する第２検出手段と、
   前記第１検出手段で検出した前記一端の位置と、前記第２検出手段で検出した前記他端の位置に基づいて、前記ころの姿勢を測定する測定手段と、
   を有するころ姿勢測定装置。
2. 相対的に回転する一対の軌道輪の間に複数のころが転動自在に組み込まれた転がり軸受における、前記ころの姿勢を測定するころ姿勢測定方法であって、
   前記ころの軸方向の一端に前記軌道輪を伝播して第１の超音波を発信する第１発信ステップと、
   前記ころの軸方向の他端に前記軌道輪を伝播して第２の超音波を発信する第２発信ステップと、
   前記第１の超音波が反射した第１エコーを受信する第１受信ステップと、
   前記第２の超音波が反射した第２エコーを受信する第２受信ステップと、
   前記第１受信ステップで受信した前記第１エコーの信号に基づいて前記一端の位置を検出する第１検出ステップと、
   前記第２受信ステップで受信した前記第２エコーの信号に基づいて前記他端の位置を検出する第２検出ステップと、
   前記第１検出ステップで検出した前記一端の位置と、前記第２検出ステップで検出した前記他端の位置に基づいて、前記ころの姿勢を測定する測定ステップと、
   を有するころ姿勢測定方法。
3. 前記第１の超音波及び前記第２の超音波は、前記軌道輪と前記ころとが接触する位置に向けて集束することを特徴とする、請求項１に記載するころ姿勢測定装置。
4. 前記第１の超音波及び前記第２の超音波は、前記軌道輪と前記ころとが接触する位置に向けて集束することを特徴とする、請求項２に記載するころ姿勢測定方法。

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